物理虚拟实验室-伽利略和比萨斜塔的故事

2022/1/7 18:02:12 矩道科技 产品动态

伽利略是一位家喻户晓的著名科学家,在物理学的发展史上占有显要地位,是近代实验物理学的奠基人,被冠以“现代科学之父”等诸多头衔。

在伽利略的一生中,发生过许多被后世纪念和记载的事件,其中最著名的莫过于他在比萨斜塔上做的自由落体实验,该实验被评为世界上最美丽的十大物理实验之一。

落体的运动是司空见惯的,是什么因素决定了一个物体下落的快慢呢?亚里士多德认为物体下落的快慢是由它们的重量决定的,重量大的物体比重量小的物体下落得快。他的这一论断符合人们的常识,比如平时观察到的事实是,一块石头比一片树叶落得快一些。以至于其后两千年的时间里,亚里士多德的论断都被人们奉为经典。

然而,伽利略却对亚里士多德的论断表示了怀疑,他在《两种新科学的对话》一书中对此做出了评论。根据亚里士多德的论断,一块大石头的下落速度要比小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8,小石头的下落速度为4,当把两块石头捆在一起时,大石头会被小石头拖着而减慢,结果整个系统的下落速度应该小于8;但两块石头捆在一起,总的重量比大石头还要重,因此整个系统下落的速度要比8还大。这样,就从“重物比轻物落得快”的前提推断出了互相矛盾的结论,这使亚里士多德的理论陷入了困境。为了摆脱这种困境,伽利略认为只有种可能性:重物与轻物应该下落得同样快。

伽利略的这一思想实验,演变为了一个科学史上著名故事:据说,伽利略为了批驳亚里士多德的落体理论,曾经登上比萨斜塔,从斜塔上同时扔下一轻一重的同样大小的两个球,让大家看到了两个球同时落地,从而证明了物体下落快慢与重量无关。这就是著名的斜塔落体实验。

然而,这一实验结果也不是完全准确。实际上,由于空气阻力的存在,实验结果会存在一定误差,不会完全同时落地。一块石头比一片树叶下落得快的原因正是由于空气阻力的存在。

如今,我们可以很方便地在几近真空的环境中做自由落体实验。在两个玻璃管中放上同样的金属块、羽毛、木块、玻璃球等物体,一个抽成真空,一个封入空气,将两个玻璃管同时颠倒,让它们同时从顶端下落,通过慢镜头可以观察到,真空管中的物体下落得一样块,而在有空气的玻璃管中铁块比其他物体下落得要快。说明影响落体运动快慢的因素是空气阻力的作用,没有空气阻力时,只在重力作用下,轻重不同的物体下落快慢相同。

这个实验还被人们搬到了月球上。1971年,宇航员大卫·斯科特乘坐“阿波罗15号”飞船来到月球,向全世界的电视观众展示了一根羽毛与一把锤子在月球上确实同时落下的。斯科特说:“这证明伽利略先生是正确的。”

伽利略的斜塔落体实验的真实性虽然存在争议,但是伽利略确实凭借数学推理将落体实验转化成斜面实验,证明了路程与时间平方成正比,从而推翻了亚里士多德的错误论断。这就是如今已为人们所认识的自由落体定律。

伽利略利用理想实验和科学推理,巧妙地揭示了亚里士多德落体理论的内在矛盾,打开了亚里士多德运动理论的缺口,促使了物理学的真正诞生。

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